(72+120)m三線曲線連續鋼桁梁方案設計

武文平

中國鐵路設計集團有限公司 天津 300308

1 背景

某鐵路三線動車走行線設計時速80km/h，線間距5m+5m，采用有砟軌道。跨越某高速公路互通時跨徑布置為（72+120）m，位于R=500m的小曲線半徑上。受線路縱斷面及施工方案控制，需采用結構厚度較薄的鋼結構橋梁方案。

經研究，采用曲梁直做方案橫向桁間距需29.2m，采用曲梁曲做方案橫向桁間距19.4m。直梁方案雖然桿件連接構造簡單，但是橫向桁間距過大，因此推薦采用（72+120）m三線曲線連續鋼桁梁方案。

2 方案設計

2.1 桁高

單層橋面鋼桁梁常見桁高12-15m，以13m桁高居多，考慮到本橋為小曲線半徑三線鋼桁梁，受力相對普通桁梁復雜，因此研究比選了13-15m三種桁高方案[1]。

采用Midas/Civil有限元程序進行仿真分析計算，主桁桿件采用梁單元模擬，橋面板采用板單元模擬，模型如圖1。

圖1 （72+120）m曲線連續鋼桁梁有限元模型

不同桁高方案的剛度及主力工況下內力對比見表1，隨著桁高增加，結構剛度逐漸增加，桿件受力逐漸減小，但變化幅度并不大[2]。

表1 不同桁高方案剛度及主力工況內力對比表

13m桁高采用桁式橋門架節點構造困難，從構造角度來講宜采用板式橋門架。14m以上桁高可采用板式橋門架或桁式橋門架。本橋是小曲線結構，橋門架受力較直線梁大，且橋門架橫向跨度較大，本橋采用桁式門架受力較板式門架更為直接。因此，推薦采用14m桁高。

2.2 桁式

主桁常見的幾何圖式一般有三角形、豎桿三角形（華倫式）、“N”字形。主要區別在于腹桿布置方式不同，結構性能沒有太大的優劣差別，技術上都是可行的。

表2 桁式綜合比較表

三角桁方案下弦桿和腹桿內力相對較小，但總體受力差別不大，考慮到三角桁節點構造較華倫式桁節點相對簡單，且可增加視覺上的通透感，綜合比較推薦采用三角桁架。

2.3 橋面系

橋面系結構直接承受橋面豎向荷載，并傳遞橫向水平力，同時還參與體系的整體作用，與主桁一起共同承受體系縱向力[3]。鋼結構橋面常見方案有鋼-混凝土結合梁方案及正交異性板鋼梁方案，其中正交異性板鋼梁方案橋面常用的鋼橋面鋪裝設計一般有3種方案：

（1）15-20cm厚混凝土道砟槽板方案，通過栓釘與橋面板連接。該方案工序繁瑣，且二期恒載增加較多，目前這種鋪裝形式應用較少。

（2）不銹鋼復合橋面板（普通鋼板+3mm不銹鋼板爆炸法（或軋制）疊合）+防磨層（環氧樹脂砂漿或鋼板表面拉毛）方案。這種方案目前應用較多，缺點是不銹鋼復合橋面板焊接需要分基層、過渡層、不銹鋼層分別焊接，焊接工作量較大。

圖2 不銹鋼復合橋面板焊接工藝

（3）普通鋼板+2道環氧富鋅防銹漆+60mm超高性能混凝土（UHPC）板方案。該方案為新型材料，超高性能混凝土板自身強度高，可有效改善正交異性橋面板焊縫的抗疲勞能力。鋼板與UHPC板通過栓釘連接，并在UHPC板內鋪設鋼筋網片。

就經濟性而言，對UHPC橋面鋪裝方案、不銹鋼復合橋面板方案基本相同。

考慮到本梁采用頂推施工，不銹鋼復合橋面板方案可以有效減少施工時對跨越工點的干擾，同時也是結構自重最輕的方案，有利于頂推施工，因此推薦采用不銹鋼復合橋面板+正交異性板橋面系方案。

3 推薦方案及主要計算結果

3.1 構造尺寸及材料

采用三角桁，桁高14m，節間距12m。橋門架采用桁式門架。橋面布置圖及立面布置圖見圖3和圖4。主要桿件類型及截面尺寸見表3。

圖4 立面布置圖（單位：cm）

表3 主要桿件類型（單位：mm）

圖3 橋面布置（單位：cm）

主桁節點采用整體節點形式，上、下弦桿在節點外焊接，腹桿采用對接形式與整體節點焊接，其腹板接頭板焊于節點板上。上、下弦桿及腹桿均采用全焊接形式。主桁弦桿及腹桿的焊接采用錯焊[4]。

鋼材主要采用Q370qD，部分受力控制的桿件采用Q420qD。

采用正交異性板橋面，橋面采用不銹鋼復合鋼板321-Q370qD（軋制法），其中基層為Q370qD鋼板，厚度為14mm；不銹鋼復合層321厚3mm，級別BI。

3.2 結構剛度

活載組合作用下：120m跨中最大豎向位移47.1mm，撓跨比1/2515；72m跨中最大豎向位移21.8mm，撓跨比1/3303；滿足小于L/800的規范要求。

離心力、橫向搖擺力、風力、溫度力等作用下：120m跨中橋面橫向變形最大值為16.6mm，撓跨比為1/7229；72m跨中橋面橫向變形最大值為3.3mm，撓跨比為1/21818；滿足小于L/4000的規范要求[5]。

梁端轉角最大值1.69‰，滿足小于2‰的規范要求。

3.3 動力特性

采用多重Ritz法進行特征值計算，結構前3階自振頻率分別為1.47Hz、1.78Hz和2.63Hz，振型如圖5。滿足一階豎向自振頻率n0≥23.58L-0.592=1.39HZ，橫向自振頻率n0≥65/L0.8=1.41 HZ的要求，自振特性良好。

圖5 推薦方案自振模態圖

4 結語

小曲線半徑三線連續鋼桁梁鐵路橋在實際工程應用較少。本文介紹了此種橋梁的方案研究過程及推薦方案的構造和計算結果。為同類型橋梁的設計提供參考。